Synoviale Stammzellen als alternative Zellquelle für das Knorpel Tissue Engineering: Das Zusammenspiel von BMP2 und TGF-β in der chondrogenen Differenzierung synovialer Stammzellen und der Einfluss von Dexamethason

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Fragestellung, ob humane synoviale Stammzellen eine Zellquelle für das Knorpel Tissue Engineering sein können. In dieser Arbeit wurde das chondrogene Differenzierungspotential synovialer Stammzellen in vitro als Zellpelletkultur näher untersucht.Dabei wurden insbesondere der Einfluss der beiden Wachstumsfaktoren TGF-β und BMP2 und des Glukokortikoids Dexamethason während der chondrogenen Differenzierung erforscht. Die Untersuchung fand auf molekularer, histologischer und biochemischer Ebene statt. Dabei wurden mit Hilfe der qPCR auf molekularer Ebene Gene untersucht, die für die Analyse der chondrogenen Differenzierung erforderlich sind. Mit der histologischen Analyse wurde die Proteinexpression auf makroskopischer Ebene bewertet. Die biochemische Analyse diente der Bestimmung der Konzentration des Glykosaminoglykans und der DNA in den Zellpellets. Die Arbeit konnte aufzeigen, dass die chondrogene Differenzierung in Abwesenheit von Dexamethason zu einem stabileren chondrogenen Phänotyp führte, wenn SDSCs als Zellquelle verwendet wurden. Daneben konnte festgestellt werden, dass die Kombination von BMP2 mit einer niedrigen Konzentration von TGF-β das beste chondrogene Differenzierungspotential für synoviale Stammzellen darstellt. Basierend auf den Ergebnissen kann daher die Anwendung einer niedrigen TGF-β-Konzentration in Kombination mit BMP-2 vorgeschlagen werden, um eine chondrogene Differenzierung ohne die Verwendung von Dexamethason zu induzieren. Durch bisherige Forschungsarbeiten konnte gezeigt werden, dass die mechanische Belastung die Produktion und Aktivierung von endogenem TGF-β1 erhöht (Gardner et al. 2017b; Li et al. 2010). Zukünftige klinische Strategien zur Regeneration von Knorpelgewebe könnte die Implantation von synovialen Stammzellen mit BMP-2 sein (Gautschi et al. 2007; Biase und Capanna 2005). Die Kombination mit der endogen gewonnenen TGF-β-Komponente, die durch mechanische Stimulation im Kniegelenk erzeugt wird, könnte ein vielversprechender Ansatz für das Knorpel Tissue Engineering darstellen. Dies könnte den Weg für die Untersuchung verschiedener Methoden zur Differenzierung von Synovialzellen ebnen, einer relevanten Zellquelle, die im Bereich der regenerativen Medizin für Patienten mit schweren Knorpelproblemen eingesetzt werden könnte.

In this work this chondrogenic differentiation potential of synovial stem cells is examined in vitro as a cell pellet culture. In particular, the two growth factors TGF-ß and BMP2 and the glucocorticoid dexamethasone are examined during chondrogenic differentiation. This investigation takes place on a molecular, histological and biochemical level. The qPCR genes that are required for the analysis of chondrogenic differentiation are examined at the molecular level. Histological analysis analyzes and evaluates protein expression on a macroscopic level. The biochemical analysis is used to determine the concentration of the glycosamine content and DNA content in the cell pellets. The work can show that chondrogenic differentiation in the absence of dexamethasone leads to a more stable chondrogenic phenotype when hSDSCs are used as a cell source. Furthermore, it can be shown that the combination of BMP2 with a low concentration of TGF-β represents the best chondrogenic differentiation potential for synovial stem cells. Based on the observed results, the use of a low TGF-β concentration in combination with BMP-2 can therefore be suggested to induce chondrogenic differentiation without the use of dexamethasone. Previous research has shown that mechanical stress increases the production and activation of endogenous TGF-β. (Gardner et al. 2017a; Li et al. 2010) Future clinical strategies for the regeneration of cartilage tissue could be the implantation of synovial stem cells with BMP-2 (Gautschi et al. 2007; Biase und Capanna 2005). The combination with the endogenously obtained TGF-β component, which is generated by mechanical stimulation in the knee joint, could represent a promising approach for cartilage tissue engineering. This could pave the way for the study of different methods of differentiating synovial cells, a relevant cell source that could be used in regenerative medicine for patients with severe cartilage problems.